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Die Erfindung betrifft miniaturisierte elektroakustische Wandler, insbesondere Lautsprecher, die nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeiten und insbesondere zum Einbau in Kleingeräte, wie Telefone, Mobiltelefone, Freisprecheinrichtungen für Telefone, Kopfhörer od.dgl. vorgesehen sind und die ein Magnetsystem, eine Membrane und eine an der Membrane befestigte und in einen Ringspalt des Magnetsystems tauchende Schwingspule aufweisen.
Derartige Wandler bestehen aus einem Magnetsystem und einer Membrane mit einer an ihr befestigten Schwingspule und einem Membranhalter, der passend mit dem Magnetsystem befes- tigt ist und so auch die Membrane bezüglich des Magnetsystems positioniert. Die Schwingspule wird dabei aus mehreren Lagen eines Drahtes gebildet. Die Schwingspule ist dabei im sogenann- ten Luftspalt eines Magnetsystems positioniert. Eine spezielle Ausbildung eines solchen Wandlers ist beispielsweise in der AT 405 997 B beschrieben.
Wichtige Kenngrössen für die akustische Leistungsfähigkeit eines Lautsprechers sind ein hoher Wirkungsgrad, das ist das Verhältnis zwischen abgegebener akustischer Schalleistung und der zugeführten elektrischen Leistung und ein hoher maximal erzielbarer Schalldruck.
Der Wirkungsgrad ist proportional zur bewegten Masse des Lautsprechers, die im Fall der Mi- niaturlautsprecher im wesentlichen durch die Masse der Schwingspule gegeben ist, und zur Inten- sität des Feldes, das auf die im Luftspalt positionierte Schwingspule wirkt. Die Luftspaltinduktion wird prinzipiell grösser, wenn die Breite des Luftspalts verringert wird. Der Wirkungsgrad ist bei konstantem durch die Schwingspule fliessendem Strom proportional dem Verhältnis zwischen der Länge des im Feld befindlichen Drahtes zur Masse des schwingenden Systems. Diese Zusam- menhänge sind in der einschlägigen Literatur weitgehend beschrieben.
Betrachtet man den Lautsprecher von der elektrischen Seite, so ist ein weiteres Merkmal des Lautsprechers die elektrische Impedanz der Schwingspule. Für die Betrachtungsweise im Zusam- menhang mit der Erfindung kann die Impedanz des Lautsprechers auf den Gleichstromwiderstand der Schwingspule (RDC) reduziert werden. Die zugeführte Leistung errechnet sich somit nach P = U2/RDC. Eine der Begrenzungen für den maximal erreichbaren Schalldruck ist die der Schwing- spule zugeführte elektrische Leistung und somit bei konstanter angelegter Spannung der Gleichstromwiderstand.
Bei grossen Lautsprechern wird der Schwingspulendraht auf ein Trägermaterial gewickelt. Nach dem Stand der Technik werden bei miniaturisierten Lautsprechern selbsttragende Spulen ohne Spulenträger verwendet, da beim Einsatz eines Trägermaterials der Luftspalt um die Dicke dieses Material verbreitert werden müsste, und dadurch nach dem obengenannten Zusammenhang der Wirkungsgrad des Lautsprechers sinken würde. Die dafür nötigen Techniken und Prozesse sind bekannt.
Geforderter niedriger Leistungsverbrauch wird zunehmend durch die kontinuierliche Verringe- rung der zum Betrieb der Geräte nötigen Betriebsspannung erreicht. Dies gilt besonders für mobile Geräte die mit wiederaufladbaren Akkus betrieben werden, da bei diesen der Stromverbrauch direkt in die Betriebsdauer der Geräte eingeht. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass auch für den Betrieb der Lautsprecher bzw. Mikrofone in diesen Geräten zusehends weniger Spannung zur Verfügung steht.
Eine Anforderung an den Lautsprecher ist daher, den Gleichstromwiderstand der Spule mög- lichst niedrig zu halten. Die kann dadurch erreicht werden, dass die Dicke des für die Schwingspule verwendeten Drahtes vergrössert wird oder die Länge des Drahtes, damit die Spulenhöhe h, ver- kürzt wird. Dabei wird der Widerstand des Drahtes selbst geringer bzw. durch die geringere Draht- länge bei Verkürzung des Spule der Gleichstromwiderstand der Spule geringer. Der Wirkungs- gradverlust durch die geringere Länge des Drahtes im Luftspalt wird im wesentlichen durch die ebenso proportional abnehmende Schwingspulenmasse kompensiert.
Nachteilig dabei ist, dass die Verwendung eines dickeren Drahtes bei gleichbleibender Lagen- zahl und Drahtlänge einen breiteren Luftspalt im Magnetsystem erfordert, was durch die dabei sinkende Luftspaltinduktion den Wirkungsgrad wiederum verringert. Eine Verringerung der Spulen- höhe h hat nachteilige Auswirkungen auf die Positionierung der Spule im Luftspalt. Die oben ge- nannte AT 405 997 B beschreibt eine Möglichkeit, wie diesem Effekt entgegengewirkt werden kann, geht aber auf die eingangs genannten Probleme nicht ein und gibt auch keine Lösung dafür an.
Es ist im Stand der Technik von grossen Lautsprechern her bekannt, für den Schwingspulen-
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draht einen in seinem Querschnitt abgeflachten Draht zu verwenden, der mit seiner Schmalseite an einem Spulenträger aufgeklebt ist, und dessen ngrosse" Flächen miteinander verklebt bzw. ver- schweisst sind, um den hohen dynamischen Belastungen zu widerstehen. Bei diesen Wandlern spielen die hier wichtigen Probleme keinerlei Rolle.
Die Erfindung bezweckt, eine Konstruktion eines miniaturisierten Wandlers der eingangs ge- nannten Art anzugeben, der die angeführten Probleme nicht aufweist und insbesondere einen hohen Wirkungsgrad und einen hohen maximalen Schalldruck besitzt.
Erfindungsgemäss werden diese Ziele dadurch erreicht, dass die Schwingspule aus Draht mit unrundem Querschnitt besteht und dass die längere Dimension des Querschnittes parallel zur Achse der Schwingspule verläuft.
Unter unrundem Querschnitt" wird in der Beschreibung jeder über Herstellungstoleranzen hin- aus vom Kreisquerschnitt abweichende Querschnitt, der in einer Richtung merklich länger ausge- bildet ist als in dazu normaler Richtung, verstanden, ob oval oder rechteckig mit abgerundeten Ecken oder anders ausgebildet, spielt keine Rolle.
Durch diese so erreichte #Streckung" der Schwingspule kann (im Vergleich zum Stand der Technik) mit kürzerem Draht (kleinerer Widerstand) eine Spule gleicher Höhe (somit gleicher Positionierung im Luftspalt) bei verringerter Breite (Luftspalt kann enger gemacht werden, Induktion verbessert) gewickelt werden. Die Grösse zumindest einer der einzelnen Veränderungen kann dabei relativ frei gewählt werden, die anderen Änderungen ergeben sich aus den mechanischen und elektrodynamischen Randbedingungen.
Ein weiterer Effekt dieser Erfindung ist, dass die Dimensionen dieser Schwingspule bei gleich- bleibender Windungs- und Lagenzahl sowie Abstand zu den Metallteilen des Magnetsystems eine deutliche Verkleinerung des Luftspalts mit einer einhergehenden Erhöhung der Luftspaltinduktion und somit des Wirkungsgrades ermöglichen.
Da das dynamische Wandlerprinzip ein reversibles ist, kann diese Erfindung auch bei Mikrofo- nen zur Verbesserung der Empfindlichkeit verwendet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 einen Wandler gemäss dem Stand der Technik und die Fig. 2 einen erfindungsgemässen Wandler.
Wie aus beiden Figuren ersichtlich ist, wurde von einem elektroakustischen Wandler nur das Herzstück dargestellt : Magnetsystem 1, die Membrane 2 und die Spule 3' bzw. 3. Die anderen Bauteile sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektroakustik bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung. In Fig. 1 wurden die Bauteile, die im Stand der Technik unterschiedlich zur Erfindung sind, mit einem: @ bei ansonsten gleichem Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt einen Wandler, wie er bei grossen Lautsprechern im Stand der Technik bekannt ist : Aus ovalem Draht 6 wird eine Spule 3' gewickelt, wobei die grosse Abmessung des Drahtes normal zur Spulenachse 5 verläuft. Dies führt bei gegebener Länge des Drahtes 6 zu einer grossen Spaltbreite B' bei geringer Spulenlänge L'. Das Magnetsystem 1 weist einen Ringspalt 4' auf, in den die Spule 3', ohne das Magnetsystem zu berühren, eintaucht. Wegen der kleinen Spulenlänge L' ist die Lage der Spule bezüglich des Luftspaltes 4 nicht optimal.
Bei den grossen Lautsprechern spielt der Wirkungsgrad nur eine geringe Rolle, in der Praxis wird die Spule mit grösserer Spulen- länge hergestellt als in Fig. 1 gezeigt, um zu einer besseren Lage der Spule bezüglich des Spaltes zu kommen, doch dient die Fig. 1 ja dem Vergleich mit der Erfindung und nicht der durchgehend realistischen Darstellung des Standes der Technik.
Wie oben ausgeführt, ist es bei miniaturisierten Wandlern vorteilhaft, die Breite B des Luftspal- tes 4 möglichst klein zu halten und die Länge des Drahtes, der die Spule bildet, ebenfalls möglichst kurz auszubilden. Dies geschieht erfindungsgemäss durch die Verwendung eines Drahtes mit einem Querschnitt, der vom Kreisquerschnitt möglichst deutlich abweicht und in einer Richtung eine deutlich grössere Abmessung 1 aufweist als in der Richtung h normal dazu.
Ein solcher Draht wird nun mit seiner grösseren Abmessung 1 parallel zur Wandlerachse 5, die auch die Spulenachse darstellt, angeordnet. Durch diese Massnahme erreicht man eine grosse Längserstreckung L der Spule, kombiniert mit einer kleinen Querabmessung, sodass auch die Spaltbreite B sehr klein sein kann. Durch die grosse Länge L liegt die Spule mit geringer Länge des Drahtes trotz oder eigentlich wegen des verwendeten Drahtquerschnittes auf optimale Weise im Luftspalt 4. Durch all diese Merkmale wird ein sehr hoher Wirkungsgrad der Spule und damit bei
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geringstem Energieverbrauch eine hervorragende akustische Ausbeute erzielt.
Die Herstellung der erfindungsgemässen Spule erfolgt bevorzugt nach einem Verfahren, bei dem der Draht 6 als normaler Runddraht hergestellt wird, auf übliche Weise mit seiner Backlack- schicht, sei sie einlagig oder mehrlagig, versehen wird und erst unmittelbar vor dem Wickeln der Spule plastisch so deformiert wird, dass die gewünschten Längenverhältnisse sich einstellen.
Dieses Deformieren kann beispielsweise durch das Durchlaufen zweier Quetschrollen erfolgen, es können dabei Verhältnisse 1/h von 3 :1 darüber erreicht werden. Bei diesem Verfahren erweist es sich als vorteilhaft, dass die isolierende Beschichtung des Drahtes bereits aufgebracht ist, diese springt beim Verformen nicht vom Draht, sondern verformt sich problemlos mit ihm mit. Dadurch wird verhindert, dass die isolierende Schicht zufolge der Oberflächenspannung beim Aufbringen auf den verformten Draht wieder zu einem Verrunden führt.
Das Wickeln der Spule auf einem Dorn bringt keine grossen Probleme mit sich, da ja die inne- ren Drahtlagen mit ihren grossen Seitenflächen am Dorn anliegen und so gut geführt sind. Beim Wickeln wird wie bei runden Drähten üblich, die Backlackschicht so erwärmt, dass sie teigig oder zähflüssig, zumindest aber klebrig wird und erlaubt so das Herstellen der gewünschten Spule.
Nach dem Abkühlen unter den sogenannten Erweichungspunkt des Isoliermaterials ist die Spule fest und kann, wie vorbekannte Spulen, aus rundem Draht weiterverarbeitet werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt diese Weiterverarbeitung durch das Aufkleben auf eine Sicke 7 der Membran 2 nur mit der Stirnfläche der Spule 3, doch ist selbstverständlich jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Montage möglich.
Als Material für die Spule 3 kann jede Art von Draht und isolierendem Material verwendet wer- den, das aus dem Stand der Technik für die Herstellung von Spulen für elektrodynamische Wand- ler bekannt ist, das gleiche gilt für den Aufbau und die Materialien des Magnetsystems 1 und die Membrane 2.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Miniaturisierter, nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeitender, elektroakustischer
Wandler, insbesondere Lautsprecher, mit einem Magnetsystem (1), einer Membran (2) und einer mit der Membrane verbundenen, in einen ringförmigen Spalt (4) des Magnetsys- tems ragenden Schwingspule 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingspule (3) zumindest zu ihrem überwiegenden Teil aus einem Draht (6) besteht, dessen Querschnitt in einer Richtung eine grössere Erstreckung (1) aufweist als in der Richtung normal dazu (h) und dass die grössere Erstreckung (1) parallel zur Spulenachse (5) verläuft.
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The invention relates to miniaturized electroacoustic transducers, in particular loudspeakers, which work according to the electrodynamic principle and in particular for installation in small devices, such as telephones, mobile telephones, hands-free devices for telephones, headphones or the like. are provided and which have a magnet system, a membrane and a voice coil attached to the membrane and immersed in an annular gap of the magnet system.
Such transducers consist of a magnet system and a diaphragm with a voice coil attached to it and a diaphragm holder which is fastened to match the magnet system and thus also positions the diaphragm with respect to the magnet system. The voice coil is formed from several layers of wire. The voice coil is positioned in the so-called air gap of a magnet system. A special design of such a converter is described, for example, in AT 405 997 B.
Important parameters for the acoustic performance of a loudspeaker are high efficiency, that is the ratio between the acoustic sound power delivered and the electrical power supplied and a high maximum achievable sound pressure.
The efficiency is proportional to the moving mass of the loudspeaker, which in the case of the miniature loudspeakers is essentially given by the mass of the voice coil, and to the intensity of the field, which acts on the voice coil positioned in the air gap. In principle, the air gap induction increases when the width of the air gap is reduced. With constant current flowing through the voice coil, the efficiency is proportional to the ratio between the length of the wire in the field and the mass of the vibrating system. These relationships are largely described in the relevant literature.
Looking at the loudspeaker from the electrical side, another characteristic of the loudspeaker is the electrical impedance of the voice coil. For the consideration in connection with the invention, the impedance of the loudspeaker can be reduced to the direct current resistance of the voice coil (RDC). The power supplied is thus calculated according to P = U2 / RDC. One of the limits for the maximum achievable sound pressure is the electrical power supplied to the voice coil and thus the DC resistance when the voltage is constant.
In the case of large loudspeakers, the voice coil wire is wound on a carrier material. According to the prior art, self-supporting coils without coil carriers are used in miniaturized loudspeakers, since when using a carrier material the air gap would have to be widened by the thickness of this material, and the efficiency of the loudspeaker would decrease as a result of the above-mentioned relationship. The techniques and processes required for this are known.
The required low power consumption is increasingly achieved by continuously reducing the operating voltage required to operate the devices. This is especially true for mobile devices that are operated with rechargeable batteries, since the power consumption directly affects the operating time of the devices. This inevitably results in the fact that less voltage is also available for the operation of the loudspeakers or microphones in these devices.
A requirement for the loudspeaker is therefore to keep the DC resistance of the coil as low as possible. This can be achieved by increasing the thickness of the wire used for the voice coil or the length of the wire so that the coil height h is shortened. The resistance of the wire itself becomes lower or the direct current resistance of the coil decreases due to the shorter wire length when the coil is shortened. The loss of efficiency due to the shorter length of the wire in the air gap is essentially compensated for by the proportionally decreasing voice coil mass.
The disadvantage here is that the use of a thicker wire with a constant number of layers and wire length requires a wider air gap in the magnet system, which in turn reduces the efficiency due to the decreasing air gap induction. A reduction in the coil height h has an adverse effect on the positioning of the coil in the air gap. The above-mentioned AT 405 997 B describes one possibility of how this effect can be counteracted, but does not address the problems mentioned at the beginning and does not provide a solution to them.
It is known in the prior art from large loudspeakers for the voice coil
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wire to use a wire which is flattened in its cross section, which is glued to a coil carrier with its narrow side and whose large "surfaces are glued or welded to one another in order to withstand the high dynamic loads. These converters play the important problems here no role.
The invention aims to provide a construction of a miniaturized transducer of the type mentioned at the outset which does not have the problems mentioned and in particular has a high degree of efficiency and a high maximum sound pressure.
According to the invention, these objectives are achieved in that the voice coil consists of wire with a non-circular cross-section and that the longer dimension of the cross-section runs parallel to the axis of the voice coil.
In the description, non-circular cross-section means any cross-section deviating from the circular cross-section beyond manufacturing tolerances and which is noticeably longer in one direction than in the normal direction, whether oval or rectangular with rounded corners or otherwise, does not matter Role.
As a result of this "extension" of the voice coil (in comparison to the prior art) with a shorter wire (lower resistance), a coil of the same height (thus the same positioning in the air gap) with a reduced width (air gap can be made narrower, induction improved) The size of at least one of the individual changes can be chosen relatively freely, the other changes result from the mechanical and electrodynamic boundary conditions.
Another effect of this invention is that the dimensions of this voice coil with a constant number of turns and layers as well as a distance from the metal parts of the magnet system enable a clear reduction of the air gap with a concomitant increase in the air gap induction and thus the efficiency.
Since the dynamic converter principle is a reversible one, this invention can also be used with microphones to improve the sensitivity.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. 1 shows a converter according to the prior art and FIG. 2 shows a converter according to the invention.
As can be seen from both figures, only the heart of an electroacoustic transducer was shown: magnet system 1, the diaphragm 2 and the coil 3 'or 3. The other components are known to the person skilled in the field of electroacoustics and do not require any further explanation. In FIG. 1, the components that are different from the invention in the prior art have been provided with a: @ with the same reference symbol.
1 shows a transducer as is known in the prior art for large loudspeakers: a coil 3 'is wound from oval wire 6, the large dimension of the wire running normal to the coil axis 5. For a given length of wire 6, this leads to a large gap width B 'with a small coil length L'. The magnet system 1 has an annular gap 4 'into which the coil 3' is immersed without touching the magnet system. Because of the small coil length L ', the position of the coil with respect to the air gap 4 is not optimal.
In the case of the large loudspeakers, the efficiency plays only a minor role, in practice the coil is produced with a larger coil length than shown in FIG. 1 in order to achieve a better position of the coil with respect to the gap, but FIG. 1 serves yes, the comparison with the invention and not the consistently realistic representation of the prior art.
As stated above, in the case of miniaturized converters, it is advantageous to keep the width B of the air gap 4 as small as possible and also to make the length of the wire which forms the coil as short as possible. According to the invention, this is done by using a wire with a cross-section that deviates as clearly as possible from the circular cross-section and has a significantly larger dimension 1 in one direction than in the direction h normal to it.
Such a wire, with its larger dimension 1, is now arranged parallel to the converter axis 5, which also represents the coil axis. This measure achieves a large longitudinal extension L of the coil, combined with a small transverse dimension, so that the gap width B can also be very small. Due to the large length L, the coil with a small length of the wire lies in the air gap 4 in an optimal manner, despite or actually because of the wire cross-section used. All these features make the coil very efficient, and thus
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lowest energy consumption achieved an excellent acoustic yield.
The coil according to the invention is preferably produced by a method in which the wire 6 is produced as a normal round wire, is provided in the usual way with its baked lacquer layer, be it in one or more layers, and is plastically deformed only immediately before the coil is wound will ensure that the desired aspect ratios arise.
This deforming can take place, for example, by running through two squeezing rollers; ratios 1 / h of 3: 1 above this can be achieved. In this method, it proves to be advantageous that the insulating coating of the wire has already been applied; it does not jump off the wire when it is deformed, but deforms with it without any problem. This prevents the insulating layer from rounding again due to the surface tension when applied to the deformed wire.
Winding the spool on a mandrel does not pose any major problems, since the inner wire layers with their large side surfaces lie against the mandrel and are so well guided. When winding, as is usual with round wires, the baked enamel layer is heated so that it becomes doughy or viscous, or at least sticky, and thus allows the desired coil to be produced.
After cooling below the so-called softening point of the insulating material, the coil is solid and, like previously known coils, can be further processed from round wire.
In the exemplary embodiment shown, this further processing is carried out by gluing onto a bead 7 of the membrane 2 only with the end face of the coil 3, but of course any other assembly known from the prior art is possible.
Any type of wire and insulating material known from the prior art for the production of coils for electrodynamic converters can be used as the material for the coil 3, the same applies to the structure and the materials of the magnet system 1 and the membrane 2.
PATENT CLAIMS:
1. Miniaturized, electro-acoustic, working on the electrodynamic principle
Transducer, in particular loudspeaker, with a magnet system (1), a membrane (2) and a voice coil 3 connected to the membrane and projecting into an annular gap (4) of the magnet system, characterized in that the voice coil (3) at least closes the majority of it consists of a wire (6), the cross section of which has a larger extension (1) in one direction than in the normal direction (h) and that the larger extension (1) runs parallel to the coil axis (5).